基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文

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基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文

默认分类 2009-05-26 21:06:12 阅读 1267 评论 1 字号： 大 中 小 基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文 本文摘自单片机开发平台:http://www.mcudata.com/Webmaster/danpianjilunwen/2009/0526/1747.html 第一章 前 言 1.1 课题研究背景

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。温度控制系统 的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜， 可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用[2]。

目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的 仍然是常规的PID控制。PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领 域的常青树。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动 控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错 误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司 开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用[4]。 1.2 温度控制系统的发展状况

温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动 来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得 到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC 的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。

单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位 机，其性能进一步得到改善[5]。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂 的，高要求的系统中使用。

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组 件，控制各种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用[6]。相对于 IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。因

此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。

工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电 磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复 杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。 参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的[7]。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对 锅炉的监控品质，提高了平均热效率[7]。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。

集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS的关键是通 信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全 性。基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率[8]。但DCS在设备配置上要求网 络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。

现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基 于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而 且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的[9]。但是，FCS还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的 现阶段，另一方面，另一方面， 目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。

各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。 成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能 化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞 后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成 果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正 朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[10]。 1.3本文的研究内容

本论文主要是利用PLC S7-200 采用PID控制技术做一个温度控制系统，要求稳定误差不超过正负1℃，并且用组态软件实现在线监控。具体有以下几方面的内容：

第一章，对PLC系统应用的背景进行了阐述，并介绍当前温度控制系统的发展状况。 第二章，简单概述了PLC的基本概念以及组成。

第三章，介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件的简单介绍。 第四章，介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想，包括PWM、PID控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的参数整定方法。

第五章，介绍了设计程序的设计思想和程序，包括助记符语言表和梯形图。 第六章，介绍了组态画面的设计方法。

第七章，进行系统设计，检验控制系统控制质量。 第八章,对全文进行总结。 第二章 可编程控制器的概述 2.1 可编程控制器的产生

可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称：Programmable Controller，为了和个人计算机(PC)区分，一般称其为PLC。可编程控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动 装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。

20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。

1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。 可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是1973开始的。如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器[11]。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表1-1。 表 1-1 可编程控制器功能表 代次 器件 功能

第一代 1位处理器 逻辑控制功能

第二代 8位处理器及存储器 产品系列化

第三代 高性能8位微处理器及位片式微处理器 处理速度提高，向多功能及联网通信发展

第四代 16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器 逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能

2.2 可编程控制器的基本组成

PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。模块式PLC一般由CPU模块、I /O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。本论文实物采用的是模块式的PLC，不管哪种PLC，都是属于总线式的开发结构，其构成如图2-1所示 [12]。 1) CPU（中央处理器）

和一般的微机一样，CPU是微机PLC的核心，主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。

CPU控制着PLC工作，通过读取、解释指令，指导PLC有条不紊的工作。 2) 存储器

存储器（内存）主要用语存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成部分。PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序一般由厂 家编写的，用户不能修改；而用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。 3) 输入输出模块

输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块，有各种功能的I/O模块供拥护选用。按 I/O点数确定模块的规格和数量，I/O模块可多可少，但其最大数受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。

PLC还提供了各种各样的特殊的I/O模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用 型或智能型模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器及与PLC系统总线相连接的接 口。 4)编程装置

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件 及系统的参数等。常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件， 当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传 送、监控PLC运行状态等。 5）电源

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强 的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

第三章 硬件配置和软件环境 3.1实验配置

3.1.1 西门子S7-200

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是CUP224。它具有24个输入点和16个输出点。S7-200系列的基本单元如表3-1所示[13]。 3.1.2 传感器

热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标 准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标 准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产， 并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文才用的是K型热电阻[14]。 3.1.3 EM 231模拟量输入模块

传感器检测到温度转换成0～41mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。

EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(±80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。

EM231模块需要用户通过DIP开关进行选择的有：热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下部的组 态DIP开关进行以上选择，如图3-2所示。本设计采用的是K型热电偶，结合其他的需要，我们设置DIP开关为00100000。

对于EM231 4TC模块，SW1～SW3用于选择热电偶类型，见表3-3 。SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿，见表3-4[15]。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yx8t.html